木材炭化及其物理力学性能的研究.doc

木材炭化及其物理力学性能的研究32木材炭化及其物理力学性能的研究总第171期木材炭化及其物理力学性能的研究杨柳李晖杨志斌李军章陈曦)(1-湖北省林业科学研究院武汉430075;2.武汉市园林局劳动服务公司武汉430010)摘要:以水杉,杨木为原料制备炭化木,研究炭化工艺对木材物理力学性能的影响.结果表明:随着炭化温度的升高,炭化木材色逐渐变深,平衡含水率逐渐降低,密度降低,水杉密度由0.428g/cm3减小至0.340g/cm3,杨木密度由0.482g/cma减小至0.338g/cm3,水杉抗弯强度下降约42.39,杨木抗弯强度下降约46.3O%,其弹性模量也呈减小趋势.而且,木材的体积干缩率随温度和时间的增加而下降,较大程度地提高了木材的尺寸稳定性.关键词:水杉;杨木;炭化处理;物理力学性能StudyonCarbonizationandPhysicalandMechanicalPropertiesYangLiuLiHuiYangZhibinLiJunzhangChenXi.(1.HubaiAcademyofForestryWuhan430075;2.Laborser,ice8co,ltd.,WuhanCityGardenBureauWuhan430010)Abstract:ThematerialwithMetasequoiaglyptostroboidesHuetchengandPopulusL.ascarbonizedtechnologyinfluenceonphysicalandne.chanicalpropertiesofwood.rawmaterialpreparation,Theresultsshowedthatwithcarbonizationtemperatureincreasing,carbonizedwoodcolorbex?lnesdeepgradually,moisturecontentisgrachmllyreduced.By0.428g/MetasequoiaglyptostroboidesHuetchengdensityofrawmaterialsreducedto0.34g/,Bythe0.482g/era3PopulusL.densityrawmaterials0.338g/era3toreduce,Dropabout42.39%raetasequoiaanti-flexuralstrength,flexuralstrengthdeclineofroughly46.3%cypress,theelasticmodulusalsohasrethetrend.Moreover,thevolumeofwoodd1yingshrinkagerateincreasedwithtemperatureandti】wagsignificantlyreducetrend?largerdegreeofimprovethedimensionstabilityofwood.Keywords:MetasequoiaglyptostroboidesHuetcheng;PopulusL.;carbonizedtreatment;physicalandme-ehanicatproperties水杉MetasequoiaglyptostroboidesHuetcheng,杨木是我省重要的速生树种,其木材的物理力学性质,纤维形态,化学组成,加工性能有许多独特之处.但水杉,杨木的密度低,材质松软,颜色浅,含水率高且分布不均,多应力木易产生干缩变形和单板旋切起毛等加工缺陷,直接影响到木材的质量和价格1.为充分利用资源,将这两种木材进行功能性改良是缓解木材供需矛盾的有效手段.目前,木材的改性技术有染色处理1,尺寸稳*收稿日期:2011一O6一O7定性处理,强化处理以及防腐处理等3,而这些改性技术多数采用化学物质(如:铜,铬,砷等无机物及低分子有机物),这些化学物质其自身毒性大,易挥发,易产生环境污染4.而炭化技术是木材加工领域的新兴技术之一,采用物理方法通过炭化减少木材组分中吸水羟基的含量,降低木材的吸湿性和内应力,从而增加木材的尺寸稳定性5.其生产工艺不添加任何化学药剂,环保且工艺简单,符合当今社会绿色,低碳的环保理念.2011.5潮j艺林业科技331试验方法l.1试验原料及仪器材料:本实验采用的是8a生的杨木及水杉.设备:木材炭化箱,推台锯,微机控制电子万能试验机,木材含水率测定仪,力学万能试验机,电子温控干燥箱,恒温恒湿箱.解,导致木材力学性能严重下降嘲.因而炭化温度设定为160,190,210,每个温度又分别进行1,2,3h的炭化处理.1.2.3炭化木物理力学性质的测定炭化实验结束后,将炭化材放置于恒温恒湿箱中进行调制处理,从而调整炭化材的平衡含水率炭化木物理力学性能检测按照国家标准GB19271943-9木材物理力学性质试验方法糙亍测定.1?2炭化木的制备2结果与讨论1.2.1制样选取营蠹缦害,中空开裂的板材,取锯材中闯1m长为试骚佥对象,室内l瓯干至含水率为13左右.在实验时,锯解成20rnX20nnX300玎苴n规格的样品.1.2.2炭化工艺参数确定根据木材的干燥曲线升温,降低木材内的l温度梯度,减少内部应力,降低木材干燥和炭化时产生开裂,变形等缺陷7,为保证力学性能的稳定,选择2O/h的升温速度.炭隋初始温度设定为6o,持续加热1h,待箱瓯木材受热均匀后升温,升温速率为2o/h,设定保护蒸汽的喷蒸温度为1,每次喷蒸时间为10s.由于木材纤维素中的葡萄糖基在温度超过150后,开始发生脱水反应,纤维素的化学性质随之开始发生变化,雨半纤维素的热解温度要比纤维素低,因此选择160为最低炭化温度.当炭化温度高于250时,木材内部发生剧烈的化学变化,不仅半纤维素发生分解,同时伴随纤维素的分2.1不同炭化条件下对材色的影响材色是评价木材表面特性的重要物理指标之一,也是反映木材表面视觉和心理感觉最为重要的特征,杨木,水杉经过炭化后,材色发生较大的变化炭化木材色随着炭化温度的升高及炭化时间的延长,材色逐渐变深.主要由于炭化过程中伴随着复杂的化学反应,而化学反应又是木材材色变化的主要原因.炭化条件I制备的炭化木,其颜色与未处理素材基本相同.炭化条件和制备的炭化木,其材色颜色较深类似红木,符合古朴自然的色调风格.2.2不同炭化条件下对含水率的影响木材中的水分按其与木材结合的形式和位置,可分为化学水,自由水,吸着水3种.炭化后自由水全部挥发,部分吸着水和化学水被除去,炭化术的含水率如表1所示.表l炭化粝树殛水杉含水搴变化表2不同温度,时涸炭化处理水杉含水率方差分析表从表2可见:对不同温度,时间炭化处理的水杉含水率的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时阎炭化处理的水杉含水率之阎存在着显着性差异,210炭化处理的水杉含水率呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的水杉含水率明显不占优势.表3不回温度,时间炭化处理杨木含水率方差分析表从表2可见:对不同温度,时间炭化处理的杨木含水率的方差分析和多重比较的结果表明:不同34木材炭化及其物理力学性能的研究总第171期温度,时间炭化处理的杨木含水率之间存在着显着性差异,210炭化处理的杨木含水率呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的杨树含水率明显不占优势.由表1所得炭化明显降低了木材的含水率,处理温度为210时,炭化木的平均含水率接近为素材的1/3.而在固定温度,随时间的增加,其含水分含量就越少.2.3不同炭化条件对密度的影响密度是木材单一性质中最重要的一个物理性质,木材作为一种承重构件,它的品质主要取决于密度,实际上,木材的力学性质大多与密度有着显着的相关陛,对木材的干缩和湿胀也有着一定的影率也相应减少,但总体变化不大.因为炭化温度越响,测定木材的密度可以简便,直观的了解木材的高,被除去的吸附水和化学水越多,炭化材中的水基本性质.炭化木的密度变化如表4所示.表4炭化杨树及水杉密度变化表5不同温度,时间炭化处理水杉密度方差分析表从表5可见:对不同温度,时间炭化处理的水杉密度的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时间炭化处理的水杉密度之间存在着显着性差异,210炭化处理的水杉密度呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的水杉密度明显不占优势.表6不同温度,时间炭化处理杨木密度方差分析表从表4可见:对不同温度,时间炭化处理的杨木密度的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时间炭化处理的杨木密度之间存在着显着性差异,210炭化处理的杨木密度呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的杨木密度明显不占优势.由表4可以看出:在同一炭化时间下,随着炭化温度的升高,木材的密度降低.在同一炭化温度下,随着炭化时间的增加,木材的密度降低,其主要是由于炭化过程中,内部发生了化学变化,半纤维素降解,少量纤维素和木质素参与反应以及抽提物挥发致使木材中的实质物质减少,密度降低.2.4不同炭化条件下对弹性模量,抗弯强度的影响木材的强度与木材的密度,含水率有很大的相关度,木材经过炭化后密度,含水率会有所降低,其抗弯强度,弹性模量的变化分别如表7所示:表7炭化杨树及水杉抗弯弹性模量的变化由表7可得:炭化木不同热处理工艺下弹性模量的变化情况,从图中可以看出,抗弯弹性模量随着热处理温度增加和处理时间的延长呈不显着降低趋势.从表8可见:对不同温度,时间炭化处理的水杉抗弯弹性模量的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时间炭化处理的水杉抗弯弹性模量之间无显着性差异.表8不同温度,时间炭化处理水杉抗弯弹性模量方差分析表2011.5湖j匕林业科技35表9不同温度,时间炭化处理扬木抗弯弹性模量方差分析表从表9可见:对不同温度,时间炭化处理的杨木抗弯弹性模量的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时间炭化处理的杨木抗弯弹性模量之间无显着性差异.表11不同温度,时间炭化处理水杉抗弯强度方差分析表表1O炭化杨树及水杉抗弯强度的变化从表l1可见:对不同温度,时间炭化处理盼水杉抗弯强度的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时阐炭化处理的水杉抗弯强度之阕存在着显着性差异,2103h炭化处理的水杉抗弯强度呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的水杉抗弯强度弱显不占优势.表l2不同温度,时问炭化处理扬术抗弯强度方差分析表从表12可见:对不同温度,时间炭化处理的杨木抗弯强度的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时间炭化处理的杨木抗弯强度之阿存在着显着性差异,2103h炭化处理的杨木抗弯强度呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的杨木抗弯强度骧显不占优势.由表lO可知:水杉抗弯强度在160下降11.32,190下降20,39多,6,210下降42.39左右;同时,在同一温度下随着处理时间的延长,其抗弯强度也随之下降;杨木抗弯强度在160下降13.97,190-F降31,35,210下降46.3左右;同时,在同一温度下随着处理时间的延长,其抗弯强度也随之下降,这主要由于炭化木的密度随炭化温度的升高和处理时间的延长而降低,雨本材的力学性质和密度是有着密切关系的.2.5不同炭化条件对尺寸稳定性的影响木材的干缩是木材加工,利用上的一大问题,它不仅因木材干缩而发生尺寸和体积的缩小,而且会因弦,径向于缩不均匀而引起木材开裂,翘曲变形,是本材利用上的不良性质,所以研究木材的于缩性规律,对其利用有很重要的意义.2.5.1炭化木的体积干缩性最终炭化温度对炭化木体积干缩性的影响,如表13所示:表13炭化杨树及水杉体积干缩率的变化表l4不同温度,时闻炭化处理水杉的体积干缩性方差分析表从表14可见:对不同温度,时间炭化处理的水杉的体积干缩性的方差分析和多重比较的结果表蹰:不同温度,时间炭化处理的水杉的TR=F缩性之闯存在着显着性差异,160C2h至210C3h区闯炭化处理的水杉的体积干缩性呈显着下降趋势,160C1h,1602h炭化处理的水杉的体积干缩性明显不占优势.从表15可见:对不同温度,时间炭化处理的杨(下转第6O页)60核桃栽培存在的问题与对策探讨总第171期表皮呈网状透明斑.肪治方法:秋季结合修剪,翻耕等清除越冬虫茧.利用成虫趋光性,用黑光灯诱杀.幼虫危害严重时,喷洒25亚胺硫磷乳油600倍液或2.50/溴氰菊酯乳剂5000倍液.4.4科学采摘与摘后管理为了提高核桃品质,首先应适时采收,其次要注意采摘方法,即在敲打时顺着枝条打,尽量减少枝芽的损伤.采后应追施保叶肥,以恢复树势.4.5高位芽接换品种对尚未结果的实生核桃进行高位芽接,尽快更换品种.高位芽接时间为67月.接穗可就地采集,接芽用接穗中上部的饱满芽.芽接时先用嫁接刀在芽的上下分别横割1刀至木质部,然后在芽的两侧分别纵割1刀,轻轻掰推取下芽片,芽片长3.O5.0cm,宽1.22.0cm,然后在砧木嫁接部位用同样的方法横向切断比接芽稍大的砧木皮层,并在中间纵向切1刀,分开两侧皮层迅速贴上接芽,撕去右边砧木皮层,并在右下角处连带撕1个长2cm左右的小放水口,最后用塑料薄膜自下而上绑严.此外,在核桃生产技术基础较好的乡镇应逐步推广应用多品种混栽,花期人工授粉或喷布硫酸铜等措施,以克服大小年现象,平衡树体营养,提高产量.(本文编校:唐岚)(上接第35页)木的体积千缩性的方差分析和多重比较的结果表明:不同温度,时间炭化处理的杨木的体积干缩性之间存在着显着性差异,2103h炭化处理的杨木的体积干缩性呈显着下降趋势,190处理过的次之,1601h炭化处理的杨木的体积干缩性明显不占优势.表15不同温度,时间炭化处理杨木的体积干缩性方差分析表由表13可知:随着炭化温度的升高,炭化木得体积干缩性都有所下降,在炭化温度为210时,下降的程度最大,这主要是由于在炭化过程中,木材细胞壁中的高分子聚合物发生了变化,可能导致一OH键之间彼此横向联结,或者一OH键被非亲水性基团所取代,细胞壁上的聚合物分子链发生断裂,水分子之间只能形成有限的联结,因此炭化木的尺寸稳定性得到了提高9.3结论(1)炭化木的整个制作过程不添加任何化学药剂,也没有添加任何外来物质,是环保安全的产品.经研究表明,随着炭化温度的升高,炭化